[发明专利]一种微燃烧发电装置

说明书

技术领域

本发明属于微小尺度发电技术领域，更具体地，涉及一种微燃烧发电装置。

背景技术

不断涌现的各种微电子机械系统（MEMS），如微型机器人、微型传感器以及手机等便携式电子设备，要求其动力系统具备体积小、重量轻、能量密度大、以及使用方便等特点。传统的化学电池存在重量大、能量密度小、使用时间短、充电时间长等缺点，已经不能完全胜任这方面的需求；而氢气和碳氢化合物可燃气体的能量密度比化学电池高几十倍。因此，基于燃烧的微小型发电系统，即微燃烧发电装置，具有与化学电池竞争的巨大潜力，引起了国内外研究人员的广泛关注。

微燃烧发电的方式主要有热光伏发电和热电发电两种。热光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将热辐射直接转变为电能的一种技术。热电转换是最方便直接的发电方式。其原理为热电效应，即当热电模块的两端温度不相等时，材料中的电子或空穴会由高温区向低温区移动，从而产生电流或电荷堆积。热电转换系统由热源、冷源和热电模块构成。

然而，热光伏发电只能利用燃烧器壁面发出的高温辐射能，中低温部分的能量无法利用。热电发电因为热电材料冷端需维持低温才能有效发电，而现有维持热电材料冷端低温的技术有：被动式，如装配金属翅片来加强散热，增加了装置体积且效果有限；主动式，驱动冷气体或冷水带走热量，消耗额外能量且热损耗大。目前，由于热电材料冷端无法有效冷却，热电发电效率普遍比较低，只有1%左右。另外，目前高温热电材料成本高，性能不稳定，一般很少应用，因此热电发电一般只能利用中低温区的能量。目前虽然有结合热光伏发电原理和热电发电原理的装置，但仅为两者的简单叠加，结构松散，热量散失问题没有改善，热电发电模块冷端冷却问题仍然存在。

除此以外，在微燃烧发电装置中，火焰的稳定性是另一个需要重点考虑的问题。这是因为在微小型燃烧器中，由于燃烧室表面积与体积的比，即面体比，相对于常规尺度来说要大两至三个数量级，使得通过壁面的散热损失的比例大大增加，同时化学反应的自由基被燃烧室壁面的捕获几率也大大增加，因此，火焰稳定性变差，容易发生熄火。此外，燃烧室几何尺寸太小，气体混合物在其中的停留时间短，可燃气体和助燃气体往往来不及完全反应就被吹出燃烧室，不仅导致燃烧效率降低，而且可燃气体的吹熄极限和稳燃范围也大大缩小。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微燃烧发电装置，其目的在于通过对其关键组件的形状、尺寸及其设置方式进行设计，能够有效解决现有微燃烧发电技术中的热光伏发电装置无法利用中低温区能量，热电发电模块只能利用中低温区能量且冷端冷却技术增加体积或消耗额外能量，火焰稳定性差，易发生熄火的问题，同时可提高发电效率和发电稳定性、延长使用寿命、缩小发电装置尺寸。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃烧能量梯级利用的微燃烧发电装置，包括第一至第四预热通道，燃烧室，挡流板，第一、第二热光伏发电模块，以及第一、第二热电发电模块；所述第一、第三预热通道一端相连，形成U型管道，所述第二、第四预热通道一端相连，形成U型管道，两套U型管道分别设置在燃烧室两侧，第一、第二预热通道另一端为进气口，用于通入可燃气体、助燃气体或其混合气体，第三、第四预热通道另一端交汇在燃烧室入口外，所述挡流板设置在第三、第四预热通道交汇处，用于将气体导入燃烧室；第一、第二热光伏发电模块分别设置在燃烧室与第三、第四预热通道之间形成的高温区，第一、第二热电发电模块分别设置在第一、第三预热通道之间和第二、第四预热通道之间形成的中低温区。

优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室从功能上划分为依次首尾相连的三段，第一段作为入口，第二段作为稳燃腔，第三段作为燃尽腔。

优选地，所述微燃烧发电装置，其稳燃腔的的具体实现方式为：定义所述燃烧室的入口截面宽度为W，所述燃烧室的第二段横截面宽度为W’，满足W’>W，以此使得燃烧室的第二段内形成低速回流区，起到稳燃作用。

优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室入口横截面宽度W、燃烧室稳燃腔横截面宽度W’、稳燃腔长度L满足2L/(W’-W)的值在1到4之间。

优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室稳燃腔与燃尽腔连接的一端加工成导角，用于引导稳燃腔内的气体进入燃尽腔。

优选地，所述微燃烧发电装置，其燃烧室的入口与稳燃腔的连接端横截面沿气体流动方向逐渐变窄，形成用于辅助稳燃的喇叭状连接通道。

优选地，所述微燃烧发电装置，其喇叭状连接通道与燃烧室稳燃腔连接处的横截面宽度和燃烧室入口横截面宽度的比值在0.4到0.7之间。